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En avril 2022, une équipe d’ingénieurs a parcouru les montagnes de la Sierra Nevada en Californie pour chasser la neige. Au lieu de cela, ils ont trouvé principalement de la terre nue et sèche et seulement quelques plaques de neige qui fournissent un tiers de l’approvisionnement en eau de la Californie.
Au cours des prochaines décennies, la pénurie d’eau et l’insécurité vont probablement s’intensifier dans une grande partie des États-Unis. En Californie, la Sierra Nevada devrait perdre 65% de son accumulation de neige au cours du siècle prochain, a déclaré Hariswaran (Hari) Sitaraman, chercheur au National Renewable Energy Laboratory. Cette perte, ainsi que les défis politiques, économiques et autres, font qu’il est essentiel pour les États sujets à la sécheresse, comme la Californie, d’exploiter des sources d’eau alternatives telles que les eaux saumâtres (ou salées) et le ruissellement agricole.
Et pourtant, le moyen le plus courant de traiter et de réutiliser les approvisionnements en eau non traditionnels consiste à utiliser un processus appelé osmose inverse, qui peut être à la fois coûteux et énergivore.
Maintenant, Sitaraman et Ilenia Battiato, deux membres du consortium de recherche de l’Alliance nationale pour l’innovation dans l’eau (NAWI), ont utilisé des superordinateurs pour étudier les systèmes d’osmose inverse dans leur ensemble – une première pour le type et l’ampleur de la recherche sur l’osmose inverse. Grâce à leur nouvelle technique, le duo a également découvert une nouvelle conception de système qui pourrait rendre ces technologies environ 40 % plus éconergétiques – et donc plus rentables – tout en produisant la même quantité et la même qualité d’eau potable propre.
« Jusqu’à présent, les gens ont examiné un petit morceau de l’ensemble du module d’osmose inverse et en ont tiré des conclusions », a déclaré Sitaraman. « Mais nous avons regardé l’ensemble. »
Les résultats sont publiés dans un nouvel article en Technologie de séparation et de purification.
Avec Battiato, professeur adjoint de science et d’ingénierie énergétiques à l’Université de Stanford, Sitaraman a créé un solveur de dynamique des fluides – un outil numérique qui peut analyser comment les fluides, comme l’eau salée, s’écoulent dans un système d’osmose inverse, traversent plusieurs filtres à membrane et sortir propre de l’autre côté.
Avec leur solveur, Sitaraman et Battiato ont étudié les systèmes d’osmose inverse avec une grande précision, leur permettant de découvrir les accrocs ou les inefficacités. Par exemple, pour filtrer les eaux saumâtres, les systèmes d’osmose inverse utilisent une pression élevée pour pousser l’eau à travers plusieurs membranes qui, comme les filtres à café sophistiqués, empêchent les sels et autres minéraux de passer à travers. Ce processus nettoie l’eau, mais il crée également de fines couches d’accumulation de sel sur les membranes. Et cette accumulation peut affecter la qualité de l’écoulement de l’eau, réduisant potentiellement l’efficacité du système.
« Cette fine couche doit être mesurée correctement pour comprendre la quantité d’eau pure que vous obtenez de l’eau salée », a déclaré Sitaraman. « Si vous ne saisissez pas ce droit, vous ne pouvez pas comprendre combien il en coûte pour faire fonctionner une usine d’osmose inverse. »
Un système d’osmose inverse plus efficace est également plus rentable.
Pourtant, la plupart des propriétaires d’usines d’osmose inverse ne disposent pas d’un ordinateur haute performance pour reproduire les simulations haute fidélité de Sitaraman et Battiato – qui imitent si précisément les technologies d’osmose inverse réelles – pour découvrir les accrocs dans leurs propres systèmes. Ainsi, Sitaraman a effectué le travail complexe de création d’une équation modèle plus simple capable de prédire le transfert de masse d’un système, en estimant la quantité d’eau pure pouvant être filtrée à partir d’eau saumâtre. Grâce à son modèle, les ingénieurs peuvent désormais découvrir comment améliorer l’efficacité (et le coût) de leurs propres systèmes.
« Si l’économie s’améliore », a déclaré Sitaraman, « alors, bien sûr, les systèmes d’osmose inverse seront plus largement utilisés. Et s’ils sont plus économes en énergie, ils contribueront moins aux émissions de gaz à effet de serre et au changement climatique.
Hari Sitaraman et Ilenia Battiato ont, pour la première fois, analysé un système complet d’osmose inverse, comme celui que l’on voit ici, avec la plus grande précision à ce jour. Grâce à leurs simulations, le duo a identifié une nouvelle conception structurelle qui pourrait améliorer l’efficacité énergétique de ces systèmes de 40 %. Photo de Hari Sitaraman, NREL
C’est une énorme victoire, mais les outils de Sitaraman et Battiato peuvent bénéficier bien plus que les propriétaires d’installations d’osmose inverse. D’autres chercheurs peuvent s’appuyer sur leurs travaux pour étudier l’efficacité et le coût de toutes sortes de technologies de filtration par osmose inverse au-delà de celles utilisées pour traiter les sources d’eau non conventionnelles. L’industrie alimentaire utilise ces filtres pour créer des jus de fruits hautement concentrés, des fromages plus savoureux et bien plus encore. Les aquariums en ont besoin pour éliminer les produits chimiques nocifs de leurs eaux. Et les systèmes d’osmose inverse peuvent même extraire des minéraux précieux et d’autres substances qui pourraient être utilisées pour fabriquer des engrais ou du carburant bon marché.
Un énorme avantage des simulations haute fidélité, a déclaré Battiato, est la capacité d’étudier une vaste gamme de configurations de systèmes d’osmose inverse sans investir le temps et l’argent nécessaires pour construire et expérimenter des systèmes réels.
« Nous voulons que le système capture correctement la physique », a déclaré Battiato, « mais nous ne sommes théoriquement pas contraints par la fabrication. »
Grâce aux simulations, l’équipe peut rapidement explorer beaucoup plus de conceptions potentielles et se concentrer sur les meilleures. C’est ainsi que Battiato et Sitaraman ont identifié leur arrangement potentiellement plus efficace d’entretoises (qui sont des éléments dans le système d’osmose inverse qui créent des turbulences et maintiennent les canaux ouverts pour aider l’eau à s’écouler). Leur nouvel agencement d’espaceurs améliore non seulement l’efficacité énergétique du système de 40 %, mais il produit également la même quantité d’eau également pure.
Bien que les simulations du duo reproduisent avec précision des systèmes réels, elles restent théoriques. Sitaraman espère qu’une autre équipe de recherche construira leur conception et évaluera à quel point le système réel correspond à leurs modèles. En attendant, leurs simulations à plus haute résolution (ou plus précises et complètes) pourraient aider les chercheurs à éviter de faire des hypothèses inexactes sur le fonctionnement des systèmes d’osmose inverse et, ce faisant, à apprendre comment améliorer les technologies.
Aujourd’hui, la plupart des ingénieurs utilisent des essais et des erreurs pour découvrir comment améliorer leurs systèmes d’osmose inverse. Mais ce processus est lent et les pénuries d’eau arrivent rapidement. Grâce aux simulations de Battiato et Sitaraman, les ingénieurs pourraient accélérer le développement de technologies plus efficaces et plus rentables, afin que le pays puisse accéder à des sources d’eau non conventionnelles lorsque les communautés – comme les villes occidentales frappées par la sécheresse – en ont désespérément besoin.
« L’eau est une ressource rare », a déclaré Battiato. « Je ne pense pas que nous puissions nous permettre de faire une optimisation grossière. Nous devons économiser chaque goutte d’eau que nous pouvons.
En savoir plus sur la National Alliance of Water Innovation et ses efforts pour garantir un approvisionnement en eau abordable, économe en énergie et résilient aux États-Unis.
L’Alliance nationale pour l’innovation dans l’eau est un partenariat public-privé qui rassemble une équipe de classe mondiale de partenaires industriels et universitaires pour examiner les obstacles techniques critiques et la recherche nécessaire pour réduire radicalement le coût et l’énergie du dessalement. L’alliance est dirigée par le laboratoire national Lawrence Berkeley du département américain de l’énergie en collaboration avec le laboratoire national des technologies énergétiques, le laboratoire national des énergies renouvelables et le laboratoire national d’Oak Ridge et est financée par le bureau de l’efficacité industrielle et de la décarbonisation du département américain de l’énergie.
Par Caitlin McDermott-Murphy
Article publié avec l’aimable autorisation du National Renewable Energy Laboratory (NREL) du Département américain de l’énergie (DOE).
Image en vedette : Les responsables de l’État n’ont trouvé que des traces de neige lors de l’enquête sur le manteau neigeux du 1er avril à la station Phillips de la Sierra Nevada. Photo de Kenneth James/Département des ressources en eau de Californie.
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